中音萨克斯高音5:铁路定线为什么有眼镜线、套线、螺旋线？依据是什么？

铁道学报
JOURNAL OF THE CHINA RAILWAY SOCIETY
2000 Vol.22 No.supple P.20-24

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铁路线路局部走向选择智能CAD方法

易思蓉 邓域才

摘 要：将知识库技术、交互式图形技术、优化方法和数据库技术相结合，开发了一个铁路新线设计智能CAD原型系统（PIRLCAD）。本文介绍利用本系统进行铁路线路局部走向选择的智能CAD方法。
关键词：铁路选线；走向选择；智能CAD；知识库
中图分类号：U212.32 文献标识码：B
文章编号：1001-8360(2000)S0-0020-05

An intelligent CAD method for railway local route selection

YI Si-rong DENG Yu-cai
(School of Civil & Architectural Eng.,Southwest Jiaotong University,Chengdu,610031,China)

Abstract：By integrating the knowledge-base,interactive graph,optimizing method and database technologies,we have developed a prototype of intelligent CAD system for railway location(PIRLCAD). This paper will introduce an intelligent CAD method for selecting the local route of railway line with PIRLCAD in detail.
Keywords：railway location; route selection; intelligent CAD; knowledge-base

我国铁路线路计算机辅助设计的研究工作已开展了二十多年，取得了重要成果。特别是在详细设计由计算机输出平、纵断面图方面，各单位都取得了实用化的成果。但是，目前基本上是基于人工设计线路平面，有的甚至连纵断面拉坡定线也是由设计人员在纸上定线完成后，将结果输入计算机，少量或不作修改，就由计算机输出设计图。而在可行性研究的方案研究阶段大量的选线工作还没有相应的成果。勘测设计一体化的实施，已证明了研制铁路新线智能CAD系统十分必要。大面积的铁路选线问题异常复杂，为了探索方法，将研究目标定在主要控制点已定、主要技术标准已定、地形条件较好的平丘地区，用智能CAD方法解局部走向选择问题。根据提出的研究方法，研制了“铁路新线设计智能CAD原型系统”，简称PIRLCAD。

1 铁路定线智能CAD系统模型

对于复杂的线路平面方案选择问题，为了完成从走向方案生成到最佳方案评选的全部工作，采用了包括知识库、数据库、最优化方法、多目标决策方法、曲面建模和运动仿真、计算机图形技术等多种技术和方法。
采用面向对象技术将这些计算机技术集成为一体，从而构成一个铁路选线设计智能CAD系统的虚拟设计环境如图1 所示。

图1 面向对象的铁路定线智能CAD系统模型

2 线路局部走向选择

在PIRLCAD中，走向选择是在虚拟线路设计环境中模拟人工纸上定线过程来实现的。分析传统的定线过程，走向选择过程可划分如下：（1）将地质调绘资料与图形设计环境集成（作为方法研究，PIRLCAD目前仅考虑了一些简单的地质情况）；（2）选定控制点；（3）生成合理的走向方案；（4）线路平纵面设计；（5）方案综合评选。
2.1 地质调绘资料与图形设计环境集成
为了确定合理的线路方案，定线工程师往往要经常查询地质等线路调绘资料，了解地质、水文、资源和土地利用等信息。PIRLCAD系统的智能调绘工具（Intelligent Investigating Tool,简称ⅡT）将以上线路调绘信息与虚拟线路设计环境（二维等高线地形图或三维地形仿真模型）集成为一体。借助于ⅡT，工程师可以在需要的时候动态地修改线路调绘信息。ⅡT还可为工程师提供“定线指导”。
ⅡT的主要功能如下：
(1） 在“电子地形图”上用多边形勾画出线路调绘区域（不良地质区域），生成多边形顶点数据子串；
(2） 输入对应区域的知识信息，包括调绘区域的类型、区域名、危险性系数、区域属性、区域描述等；
(3） 编辑选定区域的知识。
上述“线路调绘”信息将自动存入动态知识库中。基于该动态知识库，借助相应的查询和推理机制，设计人员可以在选线过程中方便地查询线路经行区域的地质等信息。动态知识库还可用于获取方案生成所需要的信息和生成约束条件。
2.2 选定次级控制点
走向选择的第一步是在“电子地形图”上定出线路可能经过的控制点。选线控制点可分为两类：初始控制点(initial control points)和其他控制点(additional control points)。初始控制点包括线路起点、终点、大的中间运输中心等，这些点在预可行性研究阶段确定。PIRLCAD系统的任务是在规划的可行区域内确定其他控制点，诸如垭口和主要地形控制点、房屋、桥址中心、涵洞中心、隧道中心、道路交叉点、不良地形和地质区域以及中会站中心等。基于PIRLCAD系统确定控制点的步骤如下：
(1) 分析“电子地形图”并选定可能的控制点；
(2) 捕获选定点的平面坐标并修改动态数据库；
(3) 确定选定控制点的属性（例如控制点类型，有关选定控制点周围的既有对象的信息等）；
(4) 系统捕获设计人员选定的信息，查询相应的数据库，获取控制信息；
(5) 激活相应的控制信息设计界面，设计人员选定设计参数；
(6) 最后，修改知识库和动态数据库。
2.3 拟定折线走向备择方案
在虚拟设计环境中，工程师通过将初始控制点和其他控制点进行不同的组合并用直线连接为不同的链式折线，从而生成若干可能的线路走向方案，这一过程在PIRLCAD中称为“屏幕定线”。屏幕定线过程包括以下功能：
(1) 用直线连接各控制点生成折线组；
(2) 确定个体工程的位置和结构类型；
(3) 建立约束条件。
由于计算机显示屏幕的限制，屏幕定线的图形分析范围限制在控制点周围一定的范围。如果借助电子投影设备，此范围可大大扩大。在目前条件下，在屏幕上进行大范围的地形图分析只能是非常概略的，详细的分析还需要借助于纸地图。
2.4 走向方案合理性初查
根据拟定的线路通道和控制点，通常可以拟定很多线路方案。线路方案的最后取舍基于线路多方案综合评价。如果一个方案在技术上具有明显的不合理性，对其进行相应的方案详细设计就纯粹是浪费，因此，在方案选择的最初阶段就对其进行某些技术可行性分析和初评，是十分必要的。本原型系统主要考虑了站间距离合理性初查和桥址合理性初查、不良地质区域检查和纵断面拉坡测试等。
(1） 站间距离检查
任意两站址之间的距离应满足

Li≥Lmin

式中，Lmin为允许的最小站间距离。
(2） 桥址检查
主要进行线路中线与河流中心线交角检查和控制高程检查。
(3） 不良地质区域检查
判断线路折线是否与不良地质区域多边形相交，若相交，则线路穿过不良地质区域，可根据不良地质区域属性和危险性系数推理出不良地质区域的整治措施，并将单位面积的工程单价叠加到地价模型上。
(4） 纵断面拉坡测试
为了帮助设计人员分析拟定的走向方案的合理性，系统提供了迅速方便的测试分析功能，包括纵向自动拉坡、工程费概略计算、显示概略纵断面等。如果根据拟定的线路平面方案，不能拉出合理的纵断面，系统将给出拉坡失败的原因，并提示设计人员修改平面方案。

3 走向选择过程中的知识表达

在选线知识库中，用特征表和语义网表达线路方案与地质不良区域的关系，可以把线路方案及其特征表作为一个网络来定义。线路折线及其临近的控制点、地质不良区域和它们的量值都是图中的节点，而各个相关特征则作为弧线的标记。图2示出了线路方案选择问题域中的几个状态相对应的语义网。

图2 线路方案选择状态语义网

同时，在知识库中，用地质不良地段、河流和控制点的特征表来描述“绕避地质不良地段”这样一个问题所处的状态见表1。

表1 线路从右侧绕避地质不良地段的特性表

地质不良地段 线路AF
特征名 量值 特征名 量值
TYPE（类型） LANDSLIDE（滑坡） AF LINE
LOCATION RIGHT OF RIVER LOCATION RIGHT OF
LANDSLIDE
DEGREE MIDDLE CROSS-
THROUGH-
TROUBLE-
SOMEA-
REAR FALSE
STABLE FALSE CROSS-OVER-RIVER TRUE
PASSTH-
ROUGH-
BY-LINE FALSE

在智能CAD设计过程中，设计人员在屏幕上移动鼠标进行简单的选点、画线和选取菜单项目等操作，方案的生成、约束检查、对象操作则由内部智能过程自动完成。
为了表达走向选择问题中方案的初始状态、操作和操作符，应用谓词逻辑的表达法。图3示出的是要建模型的问题域。
通过给出每一个谓词一个实例来定义所需要的谓词。
START POINT(A) A是起点
END POINT(B) B是终点
AT LEFTSIDE(RIVER,G) G在河流左岸最突出部位
BRIDGE(D) D是桥位控制点
ON(RIVER,D)
CONTROL POINT(F)
CONTROL POINT(G)
PASS BY(TROUBLESOME
AREAR OF GEOGRAPHY,F) F在地质不良地段外侧
PASS THROUGH(TROUBLESOME
AREAR OF GEOGRAPHY,C) C点穿过地质不良地段
LINK(A,C) A点与C点相连

用一张表述该问题域事实的命题表来描述线路走向问题的当前状态，假如描述图3中所示的状态，线路从A点出发,在D点架桥过河，从F处绕避地质不良地段，然后与终点B相连。描述这个状态的数据库如下：

START POINT(A)
END POINT(B)
LINK(A,D)
LINK(D,F)
LINK(F,B)
PASS BY(TROUBLE SOME AREAR OF GEOGRAPHY,F)
BRIDGE(D)
ON(RIVER,D)
CONTROL POINT(F)
CONTROL POINT(G)

图3 线路走向的拟定

在上述数据库中,绝大多数语句都是保持不变的。在问题域中采取的每一个行动只改变数据库中的几条语句。
以航空线方案为线路的初始状态，此时线路从不良地质中穿过，若要使线路绕过不良地质地段从不良地质地段的右侧点F通过,线路方案选择过程可用下列语句描述:

删除:PASS THROUGH(TROUBLESOME
AREAR OF GEOGRAPHY,C)
LINK(A,C)
LINK(C,B)
添加:PASS BY(TROUBLESOME
AREAR OF GEOGRAPHY,F)
BRIDGE(D)
ON(RIVER,D)
LINK(A,D)
LINK(D,F)
LINK(F,B)

在该问题中，想要执行的每一个动作都可以用一个添加表和一个删除表来表示。删除表表明为完成规定的动作要从数据库中除去哪些语句，添加表表明哪些语句要添加到数据库中去。同样原理，可以对走向选择中的其他问题的设计知识进行表达。

4 平纵面定线与线路方案综合比选

首先模拟人工定线的“导向线”原理，以平面航空折线为准平面，生成链式线路平面，以此作为设计平面的轮廓线。以链式线路平面为“导向线”，采用约束曲线拟合法生成设计平面初始值。从线路平面初值出发，用交互设计方式进行线路平、纵面交替设计。首先设计线路平面，根据设计的线路平面，计算机自动完成纵断面拉坡定线，显示纵断面，检查平面定线效果。对于挖方大的地方，将线路往地形低的地方移动，反之，将线路往地形高的地方移动。移动完成后，再次进行纵断面拉坡定线。反复上述过程，直到设计人员满意为止。设计过程中，设计人员还可以在一定的阶段调用平纵面联合优化模块〔3〕，对线路方案进行局部优化。
基于线路设计智能CAD系统，本研究提出了一种顾及方案偏好信息的多方案多目标灰色关联度决策模型。首先构成选线多方案综合评价系统的多目标关联度判断矩阵，计算各方案的偏好信息值和客观信息熵方案值，然后基于方案的多目标关联度判断矩阵，顾及对方案的主观偏好和客观真实性，建立优化决策模型。最后，采用层次分析法的思想，自底至上求解多层指标的选线多方案综合评选问题。

5 算例

为了验证前述研究所提出方法的正确性和原型系统的功能，经过几个算例，结果令人满意，现列举其中一例的一个区段。
该区段为平丘地区，地形信息包括数字地形数据、地形图位图。系统首先建立可视化图形交互设计环境。PIRLCAD系统可用3种方式生成电子图形：打开位图、打开DWG图形、直接绘制等高线地形图。本算例在拟定走向方案时，采用位图方式，在局部方案详细定线时采用DWG图形方式。在该区段上选定出3个次级控制点，其中2个车站控制点，一个桥址控制点。在控制点A、B之间拟定了3个走向方案，分别取名为A1、A2和A3，各方案综合比较见表2，表3，推荐方案为第3个方案(0.877101)。

表2 航空折线方案

序号 方案Al 方案A2 方案A3
x/m y/m x/m y/m x/m y/m
0 957 3 345 1 012 3 356 976 3 297
1 2 726 3 647 3 075 3 858 3 904 4 171
2 5 009 7 736 5 139 3 438 5 488 4 371
3 13 152 3 170 7 404 3 880 7 883 3 740
4 13 152 3 181 13 188 3 170

表3 工程数量综合比较

A1方案 A2方案 A3方案
项目 单位 数量 换算费用/104元 数量 换算费用/104元 数量 换算费用/104元
挖方 104m3 23．18 159．94 14．86 102．52 15．42 106．39
填方 104m3 22．33 154．08 19．44 134．11 23．16 159．82
支挡 104m3 19．18 19．18 0.15 15．28 0．23 23.21
大中桥 座～m l～116 87．81 1～117 88．56 1～103 77．97
轨道 km 12 725 254．50 12 368 247．37 12 854 257．10
占地 亩 655．1 458．59 637．67 446．37 659．5 461.68
工程费总和 1 501．549 1 034．21 1 086．17
运营费／万元.年-1 92．69 107．87 88．09
换算工程运营费 242．84 216．33 195．06
优属度向量 0．298 782 0．775 35 0．877 101

6 结束语

PIRLCAD系统是一个集图形交互设计、优化分析、知识库技术、数据库技术与决策功能为一体的集成式系统。该系统采用面向对象编程语言研制，图形处理、知识查询和推理、信息捕获和线路优化设计可同时进行。还由于采用面向对象与原型技术，将来修改算法、功能扩充、系统改进及维护十分方便。基于知识的智能CAD系统已被证明是实现计算机辅助铁路选线设计的最佳选择。

基金项目：铁道部科技发展计划“九五”重点项目(96G30-G)
作者简介：易思蓉(1957—)，女，四川成都人，教授，博士
易思蓉(西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031)
邓域才(西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031)

〔参考文献〕

〔1〕Rumbaugh J,Blaha M,Premerlani w,et al. Object-Oriented Modeling and Design〔M〕．Englewood Cliffs,New Jersey:Prentice Hall,1991.
〔2〕Coal P,Yuordon E. Object-Oriented Analysis〔M〕. Yourdon Press,1990:67～73.
〔3〕邓域才，易思蓉.铁路选线平面纵断面联合优化方法的研究〔J〕．西南交通大学学报，1988，(1).